JP5297092B2 - Composition for fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the following problems: a catalyst layer using a composition for a fuel cell is easily cracked, and methanol solubility resistance of the catalyst layer is low. <P>SOLUTION: The composition for the fuel cell contains a polymer compound in which a proton conductive group is introduced into a polymer compound having an aromatic unit, a compound X having two or more of a group represented by general formula (1)-CH<SB>2</SB>OR (in the formula, R represents hydrogen, an alkyl group, or an acyl group.), and a solvent. The boiling point of the solvent is 100-300&deg;C, and acid is contained. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用組成物に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell composition.

固体高分子形燃料電池は、新エネルギー技術の柱の一つとして期待されている。プロトン伝導性置換基を有する高分子電解質を使用する固体高分子形燃料電池は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴から、自動車などの移動体、家庭用コンジェネレーションシステム、および民間用小型携帯機器などへの適用が検討されている。特にメタノールを直接燃料に使用する直接メタノール型燃料電池は、単純な構造と燃料供給やメンテナンスの容易さ、さらには、あるいは、また、高エネルギー密度などの特徴を有し、リチウムイオン二次電池代替として、携帯電話やノート型パソコンなどの民間用小型携帯機器への応用が期待されている。 Solid polymer fuel cells are expected as one of the pillars of new energy technology. Solid polymer fuel cells that use polymer electrolytes with proton-conducting substituents can be operated at low temperatures and can be reduced in size, weight, mobile vehicles such as automobiles, household cogeneration systems, and civilian use. Application to small portable devices is under consideration. In particular, direct methanol fuel cells that use methanol directly as fuel have a simple structure, ease of fuel supply and maintenance, and / or characteristics such as high energy density. As such, it is expected to be applied to small portable devices for private use such as mobile phones and notebook computers.

前記直接メタノール型燃料電池には、特許文献1に代表される耐メタノール溶解性に優れる高分子電解質が用いられている。しかしながら、特許文献1に代表される燃料電池用組成物を用いて触媒層を製造した場合、沸点が100℃未満の溶媒が用いられているために前記触媒層がヒビわれし、触媒層の製造が困難という問題点があった。さらに、ヒビ割れた触媒層を直接メタノール型燃料電池に用いると、発電特性が著しく低下するという問題点もあった。前記問題点を解決するために、特許文献2、および3に代表される技術、すなわち溶媒に高級アルコールや非アルコール系有機溶媒を用いて触媒層のヒビ割れを抑制する技術を適用したが、高分子電解質と化合物Xとの反応が進行せず、触媒層の耐メタノール溶解性が著しく低下するという問題点があった。
特開2008−4279 特開2006−253042 特開2003−208903
In the direct methanol fuel cell, a polymer electrolyte having excellent methanol solubility resistance represented by Patent Document 1 is used. However, when a catalyst layer is produced using a fuel cell composition represented by Patent Document 1, the catalyst layer is cracked because a solvent having a boiling point of less than 100 ° C. is used, and production of the catalyst layer is performed. There was a problem that it was difficult. Furthermore, when the cracked catalyst layer is directly used for a methanol fuel cell, there is a problem that power generation characteristics are remarkably deteriorated. In order to solve the above problems, techniques represented by Patent Documents 2 and 3, that is, a technique for suppressing cracking of the catalyst layer using a higher alcohol or a non-alcohol organic solvent as a solvent are applied. There was a problem that the reaction between the molecular electrolyte and the compound X did not proceed, and the methanol solubility resistance of the catalyst layer was significantly lowered.
JP2008-4279 JP 2006-253042 A JP 2003-208903 A

直接メタノール型燃料電池には触媒層が必須部材であり、ヒビ割れしないか又は十分実用に耐えうる程度にヒビ割れが少なく、さらに耐メタノール溶解性に優れた触媒層を製造することが強く望まれている。   In direct methanol fuel cells, a catalyst layer is an essential component, and it is strongly desired to produce a catalyst layer that does not crack or has enough cracking to withstand practical use, and has excellent methanol solubility resistance. ing.

本発明は、前記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的はヒビ割れしないか又は十分実用に耐えうる程度にヒビ割れが少なく、耐メタノール溶解性に優れた直接メタノール型燃料電池用触媒層を提供することである。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and the object of the present invention is a catalyst for direct methanol fuel cell which is not cracked or has few cracks to the extent that it can withstand practical use and has excellent methanol solubility resistance. Is to provide a layer.

本発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討をおこなった結果、少なくとも、芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されている高分子化合物、下記一般式(1)で示される基を2つ以上有する少なくとも1種類以上の化合物X、および溶媒を含む燃料電池用組成物に、沸点が100℃以上、300℃以下である溶媒を用いること、および前記溶媒100重量部に対して、1重量部以上、10重量部以下の酸を含ませることによって、ヒビ割れしないか又は十分実用に耐えうる程度にヒビ割れが少なく、耐メタノール溶解性に優れた触媒層を製造できることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明はかかる新規知見に基づいて完成されたものであり、以下の発明を包含する。
−CHOR・・・(1)
(式中Rは水素、アルキル基、あるいはアシル基を表し、1種類の化合物に含まれるRはそれぞれ同一で、互いに同一であっても異なっても良い。)なお、一般式(1)中のRは、水素、炭素数1〜20のアルキル基、あるいは炭素数1〜20のアシル基を表すことが好ましい。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has at least a polymer compound in which a proton conductive group is introduced into a polymer compound having an aromatic unit, represented by the following general formula (1). A solvent having a boiling point of 100 ° C. or more and 300 ° C. or less for a fuel cell composition containing at least one compound X having two or more groups and a solvent, and with respect to 100 parts by weight of the solvent In addition, it has been found that by including 1 part by weight or more and 10 parts by weight or less of an acid, a catalyst layer that does not crack or has sufficient cracking resistance to withstand practical use and that has excellent methanol solubility resistance can be produced. The present invention has been completed. The present invention has been completed based on such novel findings, and includes the following inventions.
-CH 2 OR ··· (1)
(In the formula, R represents hydrogen, an alkyl group, or an acyl group, and R contained in one type of compound is the same and may be the same or different from each other.) In the general formula (1), R preferably represents hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or an acyl group having 1 to 20 carbon atoms.

すなわち本発明にかかる燃料電池用組成物に用いられる溶媒は、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、あるいはN−メチルピロリドンであってもよい。   That is, the solvent used in the fuel cell composition according to the present invention may be N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, or N-methylpyrrolidone.

また、本発明にかかる燃料電池用組成物に用いられる酸は、メタンスルホン酸であってもよい。   The acid used in the fuel cell composition according to the present invention may be methanesulfonic acid.

また、本発明に用いられる芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基は、スルホン酸基であってもよい。   The proton conductive group in the polymer compound having an aromatic unit used in the present invention may be a sulfonic acid group.

また、前記芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されている高分子化合物のイオン交換容量は、0.9meq/g以上、6meq/g以下であってもよい。   The ion exchange capacity of the polymer compound in which a proton conductive group is introduced into the polymer compound having an aromatic unit may be 0.9 meq / g or more and 6 meq / g or less.

また、芳香族単位を有する高分子化合物は、芳香族ポリエーテル系高分子であってもよい。   The polymer compound having an aromatic unit may be an aromatic polyether polymer.

また、下記一般式(1)で示される基を2つ以上有する少なくとも1種類以上の化合物Xが下記構造式であってもよい。
−CHOR・・・(1)
Moreover, the following structural formula may be sufficient as the at least 1 or more types of compound X which has 2 or more groups shown by following General formula (1).
-CH 2 OR ··· (1)

Figure 0005297092
また、前記燃料電池に用いられる燃料電池用触媒層形成材料は、前記燃料電池用組成物および燃料電池用触媒を含んでもよい。
Figure 0005297092
The fuel cell catalyst layer forming material used in the fuel cell may include the fuel cell composition and the fuel cell catalyst.

また、前記燃料電池用触媒層形成材料を含む燃料電池用触媒層の製造方法は、少なくとも、下記(I)、(II)、(III)および/あるいは(IV)の工程を含んでもよい。
(I)少なくとも、前記燃料電池用組成物、および前記燃料電池用触媒を含む燃料電池用触媒層形成材料を基材上に塗布する工程、
(II)前記触媒層形成材料から溶媒を除去する工程、
(III)前記燃料電池用組成物に含まれる、前記高分子電解質、および前記化合物Xを化学反応させて反応生成物を得る工程、
(IV)前記触媒層から酸を除去する工程。
The method for producing a fuel cell catalyst layer containing the fuel cell catalyst layer forming material may include at least the following steps (I), (II), (III) and / or (IV).
(I) a step of applying a fuel cell catalyst layer forming material containing at least the fuel cell composition and the fuel cell catalyst on a substrate;
(II) removing the solvent from the catalyst layer forming material,
(III) a step of chemically reacting the polymer electrolyte and the compound X contained in the fuel cell composition to obtain a reaction product;
(IV) A step of removing acid from the catalyst layer.

また、前記工程(III)は、前記化学反応が進行する温度以上、300℃以下での加熱であってもよい。   The step (III) may be heating at a temperature not lower than the temperature at which the chemical reaction proceeds and not higher than 300 ° C.

また、前記基材は、高分子のシート、無機物のシート、あるいは導電性多孔質シートであってもよい。   The substrate may be a polymer sheet, an inorganic sheet, or a conductive porous sheet.

また、前記触媒層から酸を除去する工程は、触媒層と水とを接触させることであってもよい。   The step of removing the acid from the catalyst layer may be bringing the catalyst layer into contact with water.

また、前記製造方法によって製造された燃料電池用触媒層、あるいは燃料電池用ガス拡散電極は、燃料電池用膜電極接合体に用いられても良いし、前記燃料電池用膜電極接合体が燃料電池に用いられてもよい。   Further, the fuel cell catalyst layer or the fuel cell gas diffusion electrode produced by the production method may be used for a fuel cell membrane electrode assembly, or the fuel cell membrane electrode assembly may be a fuel cell. May be used.

本発明によれば、少なくとも、芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されている高分子化合物、前記一般式(1)で示される基を2つ以上有する少なくとも1種類以上の化合物X、および溶媒を含む燃料電池用組成物に、沸点が100℃以上、300℃以下である溶媒を用いること、および前記溶媒100重量部に対して、1重量部以上、10重量部以下の酸を含ませることによって、ヒビ割れしないか又は十分実用に耐えうる程度にヒビ割れが少なく、耐メタノール溶解性に優れた触媒層を製造することができる。
したがって、本発明の燃料電池用組成物を用いた触媒層を備えた直接メタノール型燃料電池は優れた発電特性を示した。
According to the present invention, at least one polymer compound in which a proton conductive group is introduced into a polymer compound having an aromatic unit, at least one group having two or more groups represented by the general formula (1). Use of a solvent having a boiling point of 100 ° C. or more and 300 ° C. or less for the composition for a fuel cell containing Compound X and a solvent, and 1 part by weight or more and 10 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the solvent By including an acid, it is possible to produce a catalyst layer that does not crack or has few cracks to the extent that it can be practically used, and has excellent methanol solubility resistance.
Therefore, the direct methanol fuel cell provided with the catalyst layer using the fuel cell composition of the present invention showed excellent power generation characteristics.

本発明の一実施形態について説明すれば以下の通りである。なお、本発明は、以下の説明に限定されるものではない。   An embodiment of the present invention will be described as follows. Note that the present invention is not limited to the following description.

本発明の燃料電池用組成物について具体的に説明する。   The fuel cell composition of the present invention will be specifically described.

本発明に用いる燃料電池用組成物は、少なくとも、芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されている高分子化合物、下記一般式(1)で示される基を2つ以上有する少なくとも1種類以上の化合物X、および溶媒を含む燃料電池用組成物であって、前記溶媒の沸点が100℃以上、300℃以下であること、および前記溶媒100重量部に対して、1重量部以上、10重量部以下の酸が含まれていることが好ましい。各成分の詳細は後述で説明する。
−CHOR・・・(1)
(式中Rは水素、アルキル基、あるいはアシル基を表し、1種類の化合物に含まれるRはそれぞれ同一で、互いに同一であっても異なっても良い。)
本発明の少なくとも前記芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物と前記化合物Xとを含む燃料電池用組成物を得る方法としては、任意の方法が適用できる。例えば、前記芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物と前記化合物Xとを直接混合する方法、前記芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物を前記化合物Xを含む溶液に浸漬して含浸させる方法、前記芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物と前記化合物Xとを溶液あるいは分散液として混合する方法などを例示できる。取り扱いの容易さから、溶液あるいは分散液として混合する方法が好ましい。
The composition for a fuel cell used in the present invention has at least two groups represented by the following general formula (1), a polymer compound in which a proton conductive group is introduced into a polymer compound having an aromatic unit. A fuel cell composition comprising at least one compound X and a solvent, wherein the solvent has a boiling point of 100 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, and 1 part by weight with respect to 100 parts by weight of the solvent. It is preferable that 10 parts by weight or less of acid is contained. Details of each component will be described later.
-CH 2 OR ··· (1)
(In the formula, R represents hydrogen, an alkyl group, or an acyl group, and R contained in one compound is the same and may be the same or different.)
Any method can be applied as a method for obtaining a composition for a fuel cell comprising a polymer compound obtained by introducing a proton conductive group into the polymer compound having at least the aromatic unit of the present invention and the compound X. . For example, a method of directly mixing a polymer compound in which a proton conductive group is introduced into the polymer compound having an aromatic unit and the compound X, a proton conductive group in the polymer compound having an aromatic unit A method of immersing and impregnating the introduced polymer compound in a solution containing the compound X, a polymer compound in which a proton conductive group is introduced into the polymer compound having the aromatic unit, and the compound X Examples of the method include mixing as a solution or dispersion. In view of ease of handling, a method of mixing as a solution or a dispersion is preferred.

本発明の燃料電池用組成物の、前記芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物と前記化合物Xの固形分の濃度は、1wt%以上、50wt%以下であることが好ましい。1wt%未満の場合では、粘度が小さすぎるために後述の触媒層の製造が困難になる恐れがあり、50wt%より高い場合では、粘度が大きすぎるために後述の触媒層の製造が困難になる恐れがある。   In the fuel cell composition of the present invention, the solid content of the polymer compound in which a proton conductive group is introduced into the polymer compound having an aromatic unit and the compound X is 1 wt% or more and 50 wt% or less. It is preferable that If the amount is less than 1 wt%, the viscosity is too small, which may make it difficult to produce a catalyst layer described later. If the viscosity is higher than 50 wt%, the viscosity is too large, making the later described catalyst layer difficult to manufacture. There is a fear.

本発明に用いる少なくとも、芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されている高分子化合物について具体的に説明する。   The polymer compound in which a proton conductive group is introduced into at least the polymer compound having an aromatic unit used in the present invention will be specifically described.

本発明に用いる、少なくとも、芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されている高分子化合物は、高分子化合物中の芳香族単位にプロトン伝導性基を導入できるものであれば特に限定がなく、例えば、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリアリールエーテルスルホン、ポリ1,4−ビフェニレンエーテルエーテルスルホン、ポリアリーレンエーテルスルホン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルホキシド、ポリフェニレンスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリエチレン―グラフト―ポリスチレン共重合体、スチレン―(エチレン−プロピレン)―スチレンブロック共重合体、スチレン―(エチレン−ブチレン)―スチレンブロック共重合体、スチレン―イソブチレン―スチレンブロック共重合体、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、シアン酸エステル樹脂、およびこれらの誘導体などを例示できる。これらの高分子化合物は1種類であっても複数であってもかまわない。これらのなかで、入手の容易さや前記化合物Xとの反応性などを考慮すると、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテルなどの芳香族ポリエーテル系高分子化合物が好ましく、ポリエーテルエーテルケトンが特に好ましい。   The polymer compound in which the proton conductive group is introduced into at least the polymer compound having an aromatic unit used in the present invention may be any compound that can introduce a proton conductive group into the aromatic unit in the polymer compound. There is no particular limitation, for example, polyether ketone, polyether ether ketone, polyether ketone ketone, polyether ether ketone ketone, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether sulfone, polyaryl ether sulfone, poly 1,4-biphenylene ether Ether sulfone, polyarylene ether sulfone, polyparaphenylene, polyphenylene ether, modified polyphenylene ether, polyphenylene sulfoxide, polyphenylene sulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone , Polystyrene, syndiotactic polystyrene, polyethylene-graft-polystyrene copolymer, styrene- (ethylene-propylene) -styrene block copolymer, styrene- (ethylene-butylene) -styrene block copolymer, styrene-isobutylene-styrene Examples thereof include block copolymers, polyimides, polyetherimides, polybenzimidazoles, polybenzoxazoles, polybenzothiazoles, cyanate ester resins, and derivatives thereof. These polymer compounds may be one kind or plural. Among these, in view of availability and reactivity with the compound X, aromatic polyethers such as polyether ketone, polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, polyphenylene ether, and modified polyphenylene ether are used. Molecular compounds are preferred, and polyether ether ketone is particularly preferred.

本発明の芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物を得る方法としては、プロトン伝導性基を有するモノマーとプロトン伝導性基を有しないモノマーとを共重合する方法、芳香族単位を有する高分子化合物に対する高分子反応によりプロトン伝導性基を導入する方法など、公知の方法が適用できる。前者の例としては、例えば、必要に応じて適当な保護基を導入したプロトン伝導性基を有するモノマーとプロトン伝導性基を有しないモノマーとを共重合した後、脱保護する方法などを例示できる。また、後者の例としては、例えば、芳香族単位を有する高分子化合物を溶媒中でクロロスルホン酸のようなスルホン化剤と反応させる方法、濃硫酸や発煙硫酸中で反応させる方法などを例示できる。   As a method for obtaining a polymer compound in which a proton conductive group is introduced into a polymer compound having an aromatic unit of the present invention, a monomer having a proton conductive group and a monomer having no proton conductive group are copolymerized. Known methods such as a method of introducing a proton conductive group by a polymer reaction with a polymer compound having an aromatic unit, and the like can be applied. Examples of the former include, for example, a method in which a monomer having a proton conductive group into which an appropriate protective group is introduced as necessary and a monomer having no proton conductive group are copolymerized and then deprotected. . Examples of the latter include a method of reacting a polymer compound having an aromatic unit with a sulfonating agent such as chlorosulfonic acid in a solvent, a method of reacting in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid, and the like. .

本発明のプロトン伝導性基は、含水状態でプロトンを解離できるものであれば特に限定がなく、例えば、スルホン酸基、リン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基、フェノール性水酸基などを例示できる。これらは単独、あるいは複数用いてもかまわない。これらのなかで、プロトン伝導性基の導入のしやすさや得られる高分子化合物のプロトン伝導性などを考慮すると、スルホン酸基であることが特に好ましい。   The proton conductive group of the present invention is not particularly limited as long as it can dissociate protons in a water-containing state, and examples thereof include sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups, carboxyl groups, and phenolic hydroxyl groups. These may be used alone or in combination. Among these, a sulfonic acid group is particularly preferable in view of ease of introduction of a proton conductive group and proton conductivity of the resulting polymer compound.

本発明の芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されている高分子化合物のイオン交換容量は、0.9meq/g以上、6meq/g以下であることが好ましい。0.9meq/g未満では、燃料電池の発電に要するプロトン伝導度が得られない恐れがあり、また、6meq/gより大きい場合では、前記イオン交換容量を有するための反応で、高分子化合物を分解させる恐れがある。   The ion exchange capacity of the polymer compound in which a proton conductive group is introduced into the polymer compound having an aromatic unit of the present invention is preferably 0.9 meq / g or more and 6 meq / g or less. If it is less than 0.9 meq / g, the proton conductivity required for power generation of the fuel cell may not be obtained, and if it is more than 6 meq / g, the polymer compound is used in the reaction for having the ion exchange capacity. There is a risk of disassembly.

本発明の前記化合物Xは、上記官能基が1分子中に2つ以上存在することにより、化合物Xを介して「芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」を分子間で結合させることができるため、得られる反応生成物の耐熱性を向上することや、メタノールなどの水素含有液体に対する膨潤性・溶解性や透過性を抑制することが可能となる。また、前記化合物Xとしては、上記官能基が1分子中に2つ以上存在するものであれば特に限定はないが、前記「芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」との反応性、前記「芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」との反応生成物の耐熱性、メタノールなどの水素含有液体に対する膨潤性・溶解性や透過性の抑制効果などを考慮すると、芳香族化合物であることが好ましい。この化合物はベンゼン環、ナフタレン環などを有する炭化水素系芳香族化合物であっても、トリアジン環などの炭素以外の元素を有する複素芳香族化合物であってもかまわない。   In the compound X of the present invention, the presence of two or more of the functional groups in one molecule makes it possible for the polymer X to be “a polymer in which a proton conductive group is introduced into a polymer compound having an aromatic unit”. Since "compound" can be bonded between molecules, it becomes possible to improve the heat resistance of the reaction product obtained and to suppress swelling / solubility and permeability to hydrogen-containing liquids such as methanol. . The compound X is not particularly limited as long as two or more of the functional groups are present in one molecule. However, the compound X has a proton conductive group introduced into the polymer compound having an aromatic unit. Reactivity with the polymer compound, heat resistance of the reaction product with the polymer compound having a proton conductive group introduced into the polymer compound having an aromatic unit, and against hydrogen-containing liquids such as methanol. Considering the effect of suppressing swelling / solubility and permeability, an aromatic compound is preferable. This compound may be a hydrocarbon aromatic compound having a benzene ring, a naphthalene ring or the like, or a heteroaromatic compound having an element other than carbon such as a triazine ring.

また、前記化合物X1分子中に2つ以上存在する官能基のRは、水素、アルキル基またはアシル基のいずれかであれば特に限定はなく、該官能基のRはそれぞれ独立で、互いに同一であっても異なっていてもよい。化合物の入手の容易さや前記「芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」との反応で副生する化合物の除去の容易さなどを考慮すると、水素、メチル基あるいはアセチル基であることが好ましい。直接メタノール形燃料電池に使用する場合は、燃料電池内に含まれている水、あるいはメタノールしか副生しないことから、前記官能基Rは水素、あるいはメチル基であることが特に好ましい。   Further, R of the functional group present in two or more molecules in the compound X1 is not particularly limited as long as it is any one of hydrogen, an alkyl group, and an acyl group, and the Rs of the functional groups are independent and the same. It may or may not be. Considering the availability of the compound and the ease of removal of the compound by-produced by the reaction with the above-mentioned “polymer compound in which a proton conductive group is introduced into the polymer compound having an aromatic unit”, hydrogen, A methyl group or an acetyl group is preferred. When used in a direct methanol fuel cell, it is particularly preferable that the functional group R is hydrogen or a methyl group because only water or methanol contained in the fuel cell is by-produced.

このような前記化合物Xは、例えば、1,2−ビス(ヒドロキシメチル)ベンゼン、1,3−ビス(ヒドロキシメチル)ベンゼン、1,4−ビス(ヒドロキシメチル)ベンゼン、2,6−ビス(ヒドロキシメチル)フェノール、3,5−ビス(ヒドロキシメチル)フェノール、4,6−ビス(ヒドロキシメチル)−o−クレゾール、2,6−ビス(ヒドロキシメチル)−p−クレゾール、2,6−ビス(ヒドロキシメチル)−4−t−ブチルフェノール、2,2’−ビス(ヒドロキシメチル)ジフェニルエーテル、4,4’−ビス(ヒドロキシメチル)ジフェニルエーテル、1,2,4−ベンゼントリメタノール、1,3,5−ベンゼントリメタノール、4,4’−メチレンビス[2,6−ジ(ヒドロキシメチル)]フェノール、オキシビス(3,4−ジヒドロキシメチル)ベンゼン、1,2−ビス(メトキシメチル)ベンゼン、1,3−ビス(メトキシメチル)ベンゼン、1,4−ビス(メトキシメチル)ベンゼン、2,6−ビス(メトキシメチル)−p−クレゾール、2,6−ビス(メトキシメチル)−4−t−ブチルフェノール、2,4,6−トリス[ビス(メトキシメチル)アミノ]−1,3,5−トリアジン、サイメル(登録商標、日本サイテックインダストリーズ株式会社製)、DML−PC(本州化学工業株式会社製)、TML−BPA−MF(本州化学工業株式会社製)、TML−BPAF−MF(本州化学工業株式会社製)、DML−OC(本州化学工業株式会社製)、DImethoxymethyl p−CR(本州化学工業株式会社製)、DML−MBPC(本州化学工業株式会社製)、DML−BPC(本州化学工業株式会社製)、TML−BP(本州化学工業株式会社製)、TMOM−BP(本州化学工業株式会社製)、DML−PEP(本州化学工業株式会社製)、DML−34X(本州化学工業株式会社製)、DML−PSBP(本州化学工業株式会社製)、DML−PTBP(本州化学工業株式会社製)、DML−PCHP(本州化学工業株式会社製)、DML−POP(本州化学工業株式会社製)、DML−PFP(本州化学工業株式会社製)、DML−MBOC(本州化学工業株式会社製)、HML−TPPHBA(本州化学工業株式会社製)、HMOM−TPPHBA(本州化学工業株式会社製)、26DMPC(旭有機材工業株式会社製)、46DMOC(旭有機材工業株式会社製)、DM−BIPC−F(旭有機材工業株式会社製)、DM−BIOC−F(旭有機材工業株式会社製)、TM−BIP−A(旭有機材工業株式会社製)、ニカラック(株式会社三和ケミカル製)などを例示できるが、これらのみに限定されるものではない。また、さらに、上記と一部重複するが、化合物Xは、下記化学式に示す化合物も例示できる。すなわち下記の構造式(2)−(11)の10種類、(12)―(26)の15種類、(27)―(41)の15種類、および(42)―(45)の4種類の化合物を例示できるが、これらのみに限定されるものではない。   Such compound X includes, for example, 1,2-bis (hydroxymethyl) benzene, 1,3-bis (hydroxymethyl) benzene, 1,4-bis (hydroxymethyl) benzene, 2,6-bis (hydroxy). Methyl) phenol, 3,5-bis (hydroxymethyl) phenol, 4,6-bis (hydroxymethyl) -o-cresol, 2,6-bis (hydroxymethyl) -p-cresol, 2,6-bis (hydroxy) Methyl) -4-t-butylphenol, 2,2′-bis (hydroxymethyl) diphenyl ether, 4,4′-bis (hydroxymethyl) diphenyl ether, 1,2,4-benzenetrimethanol, 1,3,5-benzene Trimethanol, 4,4′-methylenebis [2,6-di (hydroxymethyl)] phenol, oxybis 3,4-dihydroxymethyl) benzene, 1,2-bis (methoxymethyl) benzene, 1,3-bis (methoxymethyl) benzene, 1,4-bis (methoxymethyl) benzene, 2,6-bis (methoxymethyl) ) -P-cresol, 2,6-bis (methoxymethyl) -4-tert-butylphenol, 2,4,6-tris [bis (methoxymethyl) amino] -1,3,5-triazine, Cymel (registered trademark) , Manufactured by Nippon Cytec Industries Co., Ltd.), DML-PC (produced by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), TML-BPA-MF (produced by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), TML-BPAF-MF (produced by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML -OC (made by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DImethoxymethyl p-CR (made by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML-MBPC (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML-BPC (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), TML-BP (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), TMOM-BP (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML-PEP (Honshu) Chemical Industry Co., Ltd.), DML-34X (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML-PSBP (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML-PTBP (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML-PCHP (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.) Co., Ltd.), DML-POP (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML-PFP (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), DML-MBOC (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), HML-TPPHBA (Honshu Chemical Industry Co., Ltd.) ), HMOM-TPPHBA (manufactured by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), 26DMPC (manufactured by Asahi Organic Materials Co., Ltd.), 46DMOC (Asahi Organic Material Industries Co., Ltd.) ), DM-BIPC-F (Asahi Organic Materials Industries Co., Ltd.), DM-BIOC-F (Asahi Organic Materials Industries Co., Ltd.), TM-BIP-A (Asahi Organic Materials Industries Co., Ltd.), Nicarak ( (Manufactured by Sanwa Chemical Co., Ltd.) and the like, but are not limited thereto. Furthermore, although partially overlapping with the above, compound X can also be exemplified by compounds represented by the following chemical formula. That is, 10 types of the following structural formulas (2)-(11), 15 types of (12)-(26), 15 types of (27)-(41), and 4 types of (42)-(45) Although a compound can be illustrated, it is not limited only to these.

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これらの化合物は1種類であっても複数であってもかまわない。これらのなかで、入手の容易さや前記「芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」との反応性、前記「芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」との反応生成物の耐熱性やメタノールなどの水素含有液体に対する膨潤性・溶解性や透過性の抑制効果などを考慮すると、下記構造式(2)―(11)で示される10種類の化合物
Figure 0005297092
These compounds may be one kind or plural. Among them, availability and reactivity with the above-mentioned “polymer compound in which a proton-conducting group is introduced into a polymer compound having an aromatic unit” and the above-mentioned “polymer compound having an aromatic unit as a proton Considering the heat resistance of the reaction product with the polymer compound with the introduction of a conductive group and the effect of suppressing swelling, solubility and permeability of hydrogen-containing liquids such as methanol, the following structural formula (2) -10 kinds of compounds represented by (11)

Figure 0005297092
からなる群から選択される少なくとも1種以上であることが特に好ましい。
Figure 0005297092
Particularly preferred is at least one selected from the group consisting of

本発明の燃料電池用組成物中の前記「芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」と前記化合物Xとの配合比率は、前記「芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」100重量部に対して、前記化合物X1〜50重量部が好ましく、5〜40重量部がさらに好ましい。前記化合物Xが1重量部未満であると、前記「芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」との反応生成物の耐熱性の向上効果やメタノールなどの水素含有液体に対する膨潤性・溶解性や透過性の抑制効果が低くなる恐れがある。一方、前記化合物Xが50重量部を超えると、前記「芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」との反応生成物のプロトン伝導度や機械強度が低下する恐れがある。   In the composition for a fuel cell of the present invention, the compounding ratio of the “polymer compound in which a proton-conducting group is introduced into the polymer compound having an aromatic unit” and the compound X is the above-mentioned “aromatic unit. The compound X is preferably 1 to 50 parts by weight, more preferably 5 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer compound obtained by introducing a proton conductive group into the polymer compound. When the compound X is less than 1 part by weight, the effect of improving the heat resistance of the reaction product with the “polymer compound in which a proton conductive group is introduced into the polymer compound having an aromatic unit”, methanol, etc. There is a risk that the effect of suppressing the swellability / solubility and permeability to hydrogen-containing liquid will be reduced. On the other hand, when the compound X exceeds 50 parts by weight, the proton conductivity and mechanical strength of the reaction product with the “polymer compound in which a proton conductive group is introduced into the polymer compound having an aromatic unit” are increased. May fall.

本発明の燃料電池用組成物に用いる溶媒は、前記「芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」と前記化合物Xとを溶解あるいは分散できること、および沸点が100℃以上、300℃以下であることが好ましく、例えば、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン。あるいはジメチルスルホキシドなどを例示できる。沸点が、100℃未満では、後述の触媒層を作製する際、触媒層のヒビ割れが生じる恐れがある。また、300℃より高い場合は、後述の溶媒除去の際、高分子電解質が分解する恐れがある。また、溶媒の沸点は、高分子電解質の分解温度未満であることが好ましい。高分子電解質の分解温度は、TGAに代表される熱分析で測定された値、例えば、高分子電解質に含まれる水による重量減少の後に現れる重量減少の温度で決定することができる。なお、使用する溶媒が水溶性である場合は、前記「芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」と前記化合物Xの溶解性や分散性が損なわれない範囲で水を含んでいてもかまわない。   The solvent used in the fuel cell composition of the present invention can dissolve or disperse the above-mentioned “polymer compound in which a proton conductive group is introduced into a polymer compound having an aromatic unit” and the compound X, and the boiling point. Is preferably 100 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, for example, N, N-dimethylformamide, N-methylpyrrolidone. Or a dimethyl sulfoxide etc. can be illustrated. If the boiling point is less than 100 ° C., cracking of the catalyst layer may occur when a catalyst layer described later is produced. Moreover, when higher than 300 degreeC, there exists a possibility that a polymer electrolyte may decompose | disassemble in the below-mentioned solvent removal. Moreover, it is preferable that the boiling point of a solvent is less than the decomposition temperature of a polymer electrolyte. The decomposition temperature of the polyelectrolyte can be determined by a value measured by thermal analysis typified by TGA, for example, a temperature of weight reduction that appears after weight loss due to water contained in the polymer electrolyte. In addition, when the solvent used is water-soluble, the solubility and dispersibility of the “polymer compound in which a proton conductive group is introduced into the polymer compound having an aromatic unit” and the compound X are impaired. It does not matter if it contains water to the extent that it does not.

本発明の燃料電池用組成物に含まれる酸は、前記高分子電解質と、前記化合物Xとの化学反応の促進を促すものであれば、特に限定がなく、例えば、メタンスルホン酸、硫酸、あるいはクロロスルホン酸などを例示できる。特に、前記溶媒の著しい変性がおこりにくいメタンスルホン酸を用いることが好ましい。   The acid contained in the fuel cell composition of the present invention is not particularly limited as long as it promotes the chemical reaction between the polymer electrolyte and the compound X. For example, methanesulfonic acid, sulfuric acid, or A chlorosulfonic acid etc. can be illustrated. In particular, it is preferable to use methanesulfonic acid which does not cause significant modification of the solvent.

また、前記酸は、前記溶媒100重量部に対して、1重量部以上、10重量部以下含まれていることが好ましい。1重量部未満では前記高分子電解質と、前記化合物Xとの化学反応が進行しない恐れがあり、10重量部より多い場合では後述で用いる燃料電池用触媒を劣化させる恐れがある。   Further, the acid is preferably contained in an amount of 1 part by weight or more and 10 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the solvent. If the amount is less than 1 part by weight, the chemical reaction between the polymer electrolyte and the compound X may not proceed. If the amount exceeds 10 parts by weight, the fuel cell catalyst used later may be deteriorated.

本発明の燃料電池用触媒層形成材料について具体的に説明する。   The fuel cell catalyst layer forming material of the present invention will be specifically described.

本発明の燃料電池用触媒層形成材料とは、少なくとも前記燃料電池用組成物と燃料電池用触媒とを含む混合物である。この燃料電池用触媒層形成材料には、結着剤、あるいは分散剤が含まれてもよい。   The fuel cell catalyst layer forming material of the present invention is a mixture containing at least the fuel cell composition and the fuel cell catalyst. The fuel cell catalyst layer forming material may contain a binder or a dispersant.

前記結着剤、および分散剤の形態は、特に限定はないが、取り扱いの容易さを考慮すると、任意の溶媒に溶解あるいは分散させた溶液あるいは分散液であることが好ましい。また、その濃度は、1〜90wt%、さらに1wt%〜75wt%、特に、1wt%〜50wt%であることが好ましい。前記濃度が1wt%未満の場合は、触媒層形成材料の粘度が小さいために触媒層の形成が困難となり、90wt%より大きい場合は、触媒層形成材料の粘度が大きいために触媒層の形成が困難となる恐れがある。   The form of the binder and the dispersant is not particularly limited, but in consideration of ease of handling, a solution or dispersion dissolved or dispersed in an arbitrary solvent is preferable. The concentration is preferably 1 to 90 wt%, more preferably 1 wt% to 75 wt%, and particularly preferably 1 wt% to 50 wt%. When the concentration is less than 1 wt%, the formation of the catalyst layer is difficult because the viscosity of the catalyst layer forming material is small. When the concentration is greater than 90 wt%, the formation of the catalyst layer is difficult because the viscosity of the catalyst layer forming material is large. May be difficult.

前記燃料電池用触媒としては特に限定がなく、燃料電池の電極反応に対して活性な触媒が使用できる。カソード側では、酸化剤(酸素や空気など)の還元能を有する触媒、例えば、カーボンブラック、ケッチェンブラック、活性炭、カーボンナノホーン、カーボンナノチューブなどの高表面積の導電性材料に、白金などの貴金属が担持されたもの、あるいは白金ブラックなどの貴金属を例示できる。さらに、還元能の向上、触媒金属の安定化、あるいは長寿命化のために白金と任意の触媒金属などからなる複合あるいは合金触媒なども使用できる。さらにその成分は、鉄、錫、希土類元素などを用いた3成分以上であってもよい。アノード側では、燃料(メタノールや水素など)の酸化能を有する触媒、例えば、カーボンブラック、ケッチェンブラック、活性炭、カーボンナノホーン、カーボンナノチューブなどの高表面積の導電性材料に、白金などの貴金属が担持されたもの、あるいは白金ブラックなどの貴金属を例示できる。さらに、燃料酸化時の副生成物である一酸化炭素、アルデヒド類、カルボン酸類などによる触媒被毒を抑制するため、白金の代わりに、白金とルテニウムなどからなる複合あるいは合金触媒なども使用できる。さらにその成分は、安定化や長寿命化のために、鉄、錫、希土類元素などを用いた3成分以上であってもよい。   The catalyst for the fuel cell is not particularly limited, and a catalyst active for the electrode reaction of the fuel cell can be used. On the cathode side, a noble metal such as platinum is added to a high surface area conductive material such as a catalyst capable of reducing an oxidizing agent (oxygen, air, etc.), such as carbon black, ketjen black, activated carbon, carbon nanohorn, and carbon nanotube. Examples include supported ones and noble metals such as platinum black. Furthermore, a composite or alloy catalyst made of platinum and an arbitrary catalyst metal can be used for improving the reduction ability, stabilizing the catalyst metal, or extending the life. Further, the component may be three or more components using iron, tin, rare earth elements and the like. On the anode side, a noble metal such as platinum is supported on a high surface area conductive material such as carbon black, ketjen black, activated carbon, carbon nanohorn, or carbon nanotube, which has the ability to oxidize fuel (methanol, hydrogen, etc.). Or a precious metal such as platinum black. Furthermore, in order to suppress catalyst poisoning by carbon monoxide, aldehydes, carboxylic acids, etc., which are by-products during fuel oxidation, a composite or alloy catalyst made of platinum and ruthenium can be used instead of platinum. Further, the component may be three or more components using iron, tin, rare earth elements, etc. for stabilization and long life.

本発明の燃料電池用触媒層の製造方法について具体的に説明する。   The manufacturing method of the catalyst layer for fuel cells of this invention is demonstrated concretely.

本発明の燃料電池用触媒層形成材料を含む燃料電池用触媒層の製造方法は、少なくとも、下記(I)、(II)、(III)および/あるいは(IV)の工程を含む、製造方法である。
(I)少なくとも前記高分子電解質と、前記化合物Xと、前記燃料電池用触媒とを含む燃料電池用触媒層形成材料を基材上に塗布する工程、
(II)前記触媒層形成材料から溶媒を除去する工程、
(III)前記高分子電解質と、前記化合物Xとを化学反応させて反応生成物を得る工程、
(IV)前記触媒層から酸を除去する工程。
The method for producing a fuel cell catalyst layer containing the fuel cell catalyst layer forming material of the present invention is a production method comprising at least the following steps (I), (II), (III) and / or (IV): is there.
(I) a step of applying a fuel cell catalyst layer forming material containing at least the polymer electrolyte, the compound X, and the fuel cell catalyst on a substrate;
(II) removing the solvent from the catalyst layer forming material,
(III) a step of chemically reacting the polymer electrolyte and the compound X to obtain a reaction product;
(IV) A step of removing acid from the catalyst layer.

本発明の燃料電池用触媒層の製造方法における、(I)「少なくとも、前記高分子電解質と、前記化合物Xと、前記燃料電池用触媒とを含む触媒層形成材料を基材上に塗布する工程」について、具体的に説明する。   In the method for producing a fuel cell catalyst layer according to the present invention, (I) "a step of applying a catalyst layer forming material containing at least the polymer electrolyte, the compound X, and the fuel cell catalyst onto a substrate. Will be specifically described.

本発明で使用される触媒層形成材料には、必要に応じて、非電解質バインダー、撥水剤、分散剤、増粘剤、造孔剤等の添加剤が含まれていても構わない。また、これらの添加剤は、当業者にとって従来公知のものが使用可能であり、その他の具体的な構成については、特に限定されない。   The catalyst layer forming material used in the present invention may contain additives such as a non-electrolyte binder, a water repellent, a dispersant, a thickener, and a pore-forming agent as necessary. In addition, those additives conventionally known to those skilled in the art can be used, and other specific configurations are not particularly limited.

前記触媒層形成材料の基材への塗布方法は、粘度や基材の種類に応じて、下記に示すような塗布方法が利用できる。前記触媒層形成材料の基材上への塗布方法としては、当業者にとって従来公知の塗布方法であればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。例えば、ナイフコーター、バーコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーター、スクリーン印刷などを利用する方法が列挙できるが、本発明に限定されるものではない。   As a method for applying the catalyst layer forming material to the base material, the following application methods can be used depending on the viscosity and the type of the base material. The method for applying the catalyst layer forming material onto the base material may be any conventionally known application method for those skilled in the art, and other specific configurations are not particularly limited. For example, methods using a knife coater, a bar coater, a spray, a dip coater, a spin coater, a roll coater, a die coater, a curtain coater, screen printing, and the like can be listed, but are not limited to the present invention.

本発明において、基材として、高分子シートおよび無機物のシートを使用した場合には燃料電池用触媒層転写シートが、導電性多孔質シートを使用した場合には燃料電池用ガス拡散電極が、それぞれ製造できる。   In the present invention, when a polymer sheet and an inorganic sheet are used as a base material, a fuel cell catalyst layer transfer sheet is used, and when a conductive porous sheet is used, a fuel cell gas diffusion electrode is used. Can be manufactured.

本発明の燃料電池用触媒層転写シートの製造方法に用いる、高分子シートは、文字通り、当業者にとって従来公知の高分子フィルムであればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。かかる高分子シートとしては、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、およびポリテトラフルオロエチレン(PTFE)からなる群から選択される少なくとも1種を含む、ことが製造工程でかかる加熱条件に耐え、工業的入手も容易であることから好ましい。   The polymer sheet used in the method for producing a fuel cell catalyst layer transfer sheet of the present invention is literally a polymer film conventionally known to those skilled in the art, and other specific configurations are not particularly limited. Such polymer sheets include polyimide, polyethylene terephthalate, polyparvanic acid aramid, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyetherimide, polyarylate, polyethylene naphthalate, ethylenetetrafluoro. Selected from the group consisting of ethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), and polytetrafluoroethylene (PTFE). Including at least one kind is preferable because it can withstand the heating conditions in the production process and is easily available industrially.

本発明の燃料電池用触媒層転写シートの製造方法に用いる、無機物のシートは、文字通り、当業者にとって従来公知の無機物のシートであればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。かかる無機物のシートとしては、チタン、ステンレス、アルミ、銅からなる群から選択される少なくとも1種を含む、ことが製造工程でかかる加熱条件に耐え、工業的入手も容易であることから好ましい。   The inorganic sheet used in the method for producing a catalyst layer transfer sheet for a fuel cell according to the present invention may literally be an inorganic sheet conventionally known to those skilled in the art, and the other specific configurations are not particularly limited. The inorganic sheet preferably contains at least one selected from the group consisting of titanium, stainless steel, aluminum, and copper because it can withstand the heating conditions in the manufacturing process and is easily available industrially.

本発明の燃料電池用ガス拡散電極の製造方法に用いる導電性多孔質シートは、文字通り、当業者にとって従来公知の導電性多孔質シートであればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。燃料や酸化剤の拡散性や電気化学的な安定性、工業的入手の容易さなどから、本発明の燃料電池用電極の製造方法において、前記導電性多孔質シートは、カーボンペーパー、カーボンクロスおよびカーボンフエルトからなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。また、前記導電性多孔質シートは、燃料や酸化剤含まれる加湿水や、液体燃料や生成水によるフラッディングを抑制できる点から、撥水処理が施されていることが好ましい。また、前記導電性多孔質シートは、触媒層と導電性多孔質シートとの電気的接触を向上させたり、水分管理を適切に実施できるといった点から、前記燃料電池用触媒層形成材料を塗布する面上に、撥水導電性材料からなる層を備えること、が好ましい。すなわち、撥水導電性材料からなる層は触媒層と導電性多孔質シートの間に設置されることになる。撥水導電性材料としては、カーボンブラックなどの導電性微粒子とテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系高分子化合物から構成されることが例示できるが、本発明はこれに限定されるものではない。   The conductive porous sheet used in the method for producing a gas diffusion electrode for a fuel cell of the present invention may literally be a conductive porous sheet conventionally known to those skilled in the art, and other specific configurations are particularly limited. Not. In the method for producing an electrode for a fuel cell of the present invention, the conductive porous sheet includes carbon paper, carbon cloth, and the like, because of the diffusibility of fuel and oxidant, electrochemical stability, industrial availability, and the like. It is preferably at least one selected from the group consisting of carbon felt. In addition, the conductive porous sheet is preferably subjected to water repellent treatment from the viewpoint of suppressing flooding due to humidified water containing fuel or oxidant, liquid fuel or generated water. The conductive porous sheet is coated with the fuel cell catalyst layer forming material from the viewpoint that electrical contact between the catalyst layer and the conductive porous sheet can be improved and moisture management can be appropriately performed. It is preferable to provide a layer made of a water repellent conductive material on the surface. That is, the layer made of the water repellent conductive material is placed between the catalyst layer and the conductive porous sheet. Examples of the water repellent conductive material include conductive fine particles such as carbon black and a fluorine-based polymer compound such as tetrafluoroethylene (PTFE), but the present invention is not limited thereto. .

本発明の燃料電池用触媒層の製造方法における、(II)「前記触媒層形成材料から溶媒を除去する工程」について、具体的に説明する。   The (II) “step of removing the solvent from the catalyst layer forming material” in the method for producing a fuel cell catalyst layer of the present invention will be specifically described.

前記触媒層形成材料から溶媒を除去する方法は、通常のオーブンなどによる加熱、あるいは真空オーブンによる加熱であることが好ましい。オーブンによる加熱の場合、オーブン内が、窒素などの不活性ガスで満たされていることは、触媒層の燃焼を予防できることから好ましい。加熱の温度は、溶媒の沸点以上、高分子電解質の分解温度未満、すなわち、100℃以上、300℃以下であることが好ましい。100℃未満では、溶媒を除去できない恐れがあり、また、300℃より高い場合は、溶媒除去の際、高分子電解質を分解させる恐れがある。また、この加熱によって、後述の「前記高分子電解質と、前記化合物Xとを化学反応させて反応生成物を得る工程」を兼ねてもよい。   The method for removing the solvent from the catalyst layer forming material is preferably heating by a normal oven or the like, or heating by a vacuum oven. In the case of heating with an oven, it is preferable that the inside of the oven is filled with an inert gas such as nitrogen because combustion of the catalyst layer can be prevented. The heating temperature is preferably not less than the boiling point of the solvent and less than the decomposition temperature of the polymer electrolyte, that is, not less than 100 ° C. and not more than 300 ° C. If the temperature is lower than 100 ° C, the solvent may not be removed. If the temperature is higher than 300 ° C, the polymer electrolyte may be decomposed when the solvent is removed. Further, this heating may also serve as a “step of obtaining a reaction product by chemically reacting the polymer electrolyte and the compound X” described later.

本発明の燃料電池用触媒層および燃料電池用電極の製造方法における、(III)「前記高分子電解質と、前記化合物Xとを化学反応させて反応生成物を得る工程」について、具体的に説明する。   In the method for producing a fuel cell catalyst layer and a fuel cell electrode of the present invention, (III) “Step of obtaining a reaction product by chemically reacting the polymer electrolyte and the compound X” will be specifically described. To do.

本発明において、前記高分子電解質と前記化合物Xとの反応生成物は、これらの混合物を加熱することによって得ることができる。また、この化学反応は、加熱さえすれば空気中でも十分起こりうる。加熱する温度は、通常、前記化学反応が進行する温度〜前記高分子電解質の分解温度および前記化合物Xの沸点および分解温度、の範囲である必要がある。これらの化学反応が速やかに進行し、優れた性能を発現しうる燃料電池用触媒層および燃料電池用電極を得るには、前記化学反応が進行する温度以上、300℃以下の温度で加熱することが好ましい。ここで化学反応が進行する温度としては、示差走査熱量分析装置(DSC)などによる反応前後の発生熱量の変化や、熱機械分析計(TMA)などによる機械特性の変化などで確認することができる。加熱温度が前記温度範囲よりも低い場合は、反応が生じなかったり、反応が不充分となったり、反応時間が長くなったりする恐れがある。一方、加熱温度が前記温度範囲よりも高い場合は、性能低下の要因となるような副反応や分解反応が生じたり、前記高分子電解質のプロトン伝導性基が分解、脱離する恐れがある。前記加熱条件は、好ましくは130℃以上、200℃以下であり、時間は1分間以上、180分間以下、好ましくは5分間以上、60分間以下である。このような加熱条件を選択することにより、特性および生産性の両面から優れた製造方法となる。本発明において、前記化学反応時の加熱方法は特に限定されず、例えば、通常のオーブンなどによる加熱や真空オーブンによる加熱、プレス機による加熱などが列挙できるが、これらに限定されない。また、後述の燃料電池用膜電極接合体製造時の加熱圧接時に加熱しても良い。   In the present invention, the reaction product of the polymer electrolyte and the compound X can be obtained by heating the mixture. In addition, this chemical reaction can occur sufficiently in air as long as it is heated. The heating temperature usually needs to be in the range of the temperature at which the chemical reaction proceeds to the decomposition temperature of the polymer electrolyte and the boiling point and decomposition temperature of the compound X. In order to obtain a fuel cell catalyst layer and a fuel cell electrode in which these chemical reactions proceed rapidly and can exhibit excellent performance, heating is performed at a temperature not lower than the temperature at which the chemical reaction proceeds and not higher than 300 ° C. Is preferred. Here, the temperature at which the chemical reaction proceeds can be confirmed by a change in the amount of heat generated before and after the reaction by a differential scanning calorimeter (DSC) or a change in mechanical characteristics by a thermomechanical analyzer (TMA) or the like. . When the heating temperature is lower than the above temperature range, the reaction may not occur, the reaction may be insufficient, or the reaction time may be prolonged. On the other hand, when the heating temperature is higher than the above temperature range, there is a risk that side reactions or decomposition reactions that cause performance degradation may occur, or proton conductive groups of the polymer electrolyte may be decomposed and eliminated. The heating conditions are preferably 130 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, and the time is 1 minute or longer and 180 minutes or shorter, preferably 5 minutes or longer and 60 minutes or shorter. By selecting such heating conditions, the production method is excellent in terms of both characteristics and productivity. In the present invention, the heating method at the time of the chemical reaction is not particularly limited, and examples thereof include heating by a normal oven, heating by a vacuum oven, heating by a press machine, and the like, but are not limited thereto. Moreover, you may heat at the time of the heating press-contact at the time of the membrane electrode assembly for fuel cells mentioned later.

本発明の燃料電池用触媒層および燃料電池用電極の製造方法における、(IV)「前記触媒層から酸を除去する工程」について、具体的に説明する。   (IV) “Step of removing acid from catalyst layer” in the method for producing a fuel cell catalyst layer and a fuel cell electrode of the present invention will be specifically described.

本発明の酸を除去する工程は、特に限定されず、例えば転写シート、ガス拡散電極、および膜電極接合体を水、アルコールなどの溶媒に浸漬すること、あるいは、前記膜電極接合体を燃料電池に組み込んだ後に、前記燃料電池のアノードおよびカソードに溶媒を流すことによって酸を除去してもよい。酸を除去するために使用する溶媒は、触媒層に含まれる高分子電解質を溶解させないことから、水を用いることが特に好ましい。   The step of removing the acid of the present invention is not particularly limited. For example, the transfer sheet, the gas diffusion electrode, and the membrane electrode assembly are immersed in a solvent such as water or alcohol, or the membrane electrode assembly is used as a fuel cell. After incorporation into the acid, the acid may be removed by flowing a solvent through the anode and cathode of the fuel cell. As the solvent used for removing the acid, water is particularly preferably used because it does not dissolve the polymer electrolyte contained in the catalyst layer.

本発明の燃料電池用膜電極接合体について具体的に説明する。   The membrane electrode assembly for a fuel cell of the present invention will be specifically described.

本発明の燃料電池用膜電極接合体は、燃料電池用触媒層、燃料電池用触媒層転写シートおよび燃料電池用ガス拡散電極を、高分子電解質膜の少なくとも一方の面に配置し、加熱圧接するものであればよく、その他の製造条件、成分、材料、配合割合等の具体的な構成については、特に限定されるものではない。   In the membrane electrode assembly for a fuel cell according to the present invention, a fuel cell catalyst layer, a fuel cell catalyst layer transfer sheet, and a fuel cell gas diffusion electrode are disposed on at least one surface of the polymer electrolyte membrane, and are heated and pressed. There are no particular limitations on the specific configuration such as other manufacturing conditions, components, materials, and blending ratios.

本発明の燃料電池用膜電極接合体に用いる、高分子電解質膜は、文字通り、当業者にとって従来公知の高分子電解質膜であればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜として、デュポン社製のナフィオン、旭硝子(株)製のフレミオン、旭化成(株)製のアシプレックス、ゴア社製のゴアセレクト、などが例示できる。また、非フッ素系の高分子電解質膜として、当業者にとって従来公知のものが使用できる。例えば、本発明に用いた高分子電解質を製膜したものや、直接メタノール形燃料電池用膜電極接合体に適した高分子電解質膜として、非電解質の多孔質支持体に高分子電解質を充填した細孔フィリング膜や高分子電解質と非電解質とを複合化した複合電解質膜などを使用するのが好ましい。   The polymer electrolyte membrane used for the fuel cell membrane electrode assembly of the present invention may be literally a polymer electrolyte membrane conventionally known to those skilled in the art, and other specific configurations are not particularly limited. Examples of perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membranes include Nafion manufactured by DuPont, Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., and Gore Select manufactured by Gore. As the non-fluorine polymer electrolyte membrane, those conventionally known to those skilled in the art can be used. For example, as a polymer electrolyte membrane suitable for a membrane / electrode assembly for a direct methanol fuel cell or a polymer electrolyte used in the present invention, a non-electrolyte porous support was filled with the polymer electrolyte. It is preferable to use a pore filling membrane or a composite electrolyte membrane in which a polymer electrolyte and a non-electrolyte are combined.

本発明の燃料電池用膜電極接合体の製造において、加熱圧接の条件は、文字通り、当業者にとって従来公知の加熱圧接条件であればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。最適な条件については、前記電解質膜と、アノード側触媒層およびカソード側触媒層にそれぞれ含まれる高分子電解質の種類に応じて適宜設定する必要がある。一般的に加熱圧接の温度は、前記高分子電解質膜や前記触媒層に含まれる高分子電解質の熱劣化や熱分解温度以下であって、高分子電解質膜あるいは前記触媒層に含まれる高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度、さらには高分子電解質膜あるいは前記触媒層に含まれる高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度条件下で実施するのが好ましい。また、加熱圧接の加圧条件は、概ね0.1MPa以上20MPa以下の範囲であることが、高分子電解質膜と前記触媒層が充分に接触するとともに、使用材料の著しい変形にともなう特性低下がなく好ましい。また、前記加熱圧接の際に、前述の「前記高分子電解質と、前記化合物Xとを化学反応させて反応生成物を得る工程」を兼ねても良い。   In the production of the fuel cell membrane / electrode assembly of the present invention, the conditions of the heat-pressure welding may literally be those conventionally known to those skilled in the art, and the other specific configurations are not particularly limited. The optimum conditions need to be set as appropriate according to the type of polymer electrolyte contained in each of the electrolyte membrane, the anode side catalyst layer, and the cathode side catalyst layer. Generally, the temperature of the heating and pressure welding is equal to or lower than the thermal deterioration or thermal decomposition temperature of the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane or the catalyst layer, and the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane or the catalyst layer. It is preferable to carry out the reaction at a temperature above the glass transition point or softening point of the polymer electrolyte, or at a temperature above the glass transition point or softening point of the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane or the catalyst layer. In addition, the pressurizing condition of the heat pressure contact is generally in the range of 0.1 MPa or more and 20 MPa or less, and the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer are in sufficient contact with each other, and there is no deterioration in characteristics due to significant deformation of the material used. preferable. Further, in the heating and pressure welding, the above-mentioned “step of chemically reacting the polymer electrolyte and the compound X to obtain a reaction product” may also be used.

本発明の膜電極接合体は、前記高分子電解質膜の両面に、本発明の製造方法で得られる触媒層を配置し、前記高分子電解質膜と前記触媒層を接合した後、高分子フィルムを剥離することによって、高分子電解質膜とアノード側触媒層とカソード側触媒層とからなる3層膜電極接合体(3層MEA:Membrane Electrode Assembly、CCM:Catalyst CoatIng Membrane)を製造することができる。   In the membrane / electrode assembly of the present invention, the catalyst layer obtained by the production method of the present invention is disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer are joined, and then the polymer film is bonded. By peeling, a three-layer membrane electrode assembly (three-layer MEA: Membrane Electrode Assembly, CCM: Catalyst CoatIng Membrane) comprising a polymer electrolyte membrane, an anode-side catalyst layer, and a cathode-side catalyst layer can be produced.

また、前記触媒層の代わりに、本発明の製造方法で得られる燃料電池用ガス拡散電極を使用した場合、前記3層膜電極接合体の外側に拡散層が構成された5層膜電極接合体(5層MEA)を製造することができる。   In addition, when a gas diffusion electrode for a fuel cell obtained by the production method of the present invention is used instead of the catalyst layer, a five-layer membrane electrode assembly in which a diffusion layer is formed outside the three-layer membrane electrode assembly (5-layer MEA) can be manufactured.

さらに、拡散層と触媒層との間に、少なくとも、導電性カーボン粒子と撥水剤から構成される撥水導電性材料からなる層、を必要に応じて設けることや、拡散層周縁部の電解質膜上に1対のガスケットを配置して構成した7層膜電極接合体も本発明の範疇であることを付言しておく。   Furthermore, at least a layer made of a water repellent conductive material composed of conductive carbon particles and a water repellent agent is provided between the diffusion layer and the catalyst layer as needed, and the electrolyte at the periphery of the diffusion layer It is added that a seven-layer membrane electrode assembly formed by arranging a pair of gaskets on the membrane is also within the scope of the present invention.

本発明の燃料電池について具体的に説明する。
本発明の燃料電池は、前記膜電極接合体を、燃料、並びに酸化剤を送り込む流路が形成された一対のセパレーターなどの間に挿入することにより、本発明の高分子電解質膜電極接合体を含む燃料電池が得られる。前記セパレーターは、特に限定されず、例えばカーボングラファイトやステンレス鋼の導電性材料のものが使用できる。特にステンレス鋼などの金属製材料を使用する場合は、耐腐食性の処理を施していることが好ましい。
The fuel cell of the present invention will be specifically described.
In the fuel cell of the present invention, the membrane electrode assembly of the present invention is inserted between a pair of separators in which a flow path for feeding fuel and an oxidant is formed. A fuel cell containing is obtained. The separator is not particularly limited, and for example, a conductive material such as carbon graphite or stainless steel can be used. In particular, when a metal material such as stainless steel is used, it is preferable to perform a corrosion resistance treatment.

本発明の燃料電池は、アノードに燃料として、特に限定されないがメタノールなどの液体を用いることができ、カソードに酸化剤として、特に限定されないが、酸素あるいは空気などを用いることができる。前記カソードに供給される酸化剤は、水で加湿されていても良いが、無加湿の酸化剤を用いた場合、カソードのフラッディング現象を抑制できることから好ましい。   In the fuel cell of the present invention, a liquid such as methanol can be used for the anode, although it is not particularly limited, and oxygen or air can be used for the cathode as an oxidant, although not particularly limited. The oxidant supplied to the cathode may be humidified with water, but the use of a non-humidified oxidant is preferable because the cathode flooding phenomenon can be suppressed.

なお、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池を単独で、あるいは複数積層して、スタックを形成して使用することや、それらを組み込んだ燃料電池システムとすることもできる。   It should be noted that the polymer electrolyte fuel cells according to the present embodiment can be used alone or in a stacked manner to form a stack, or a fuel cell system incorporating them.

さらに、本発明の燃料電池は、燃料に水素を用いる固体高分子形燃料電池も本発明の範疇であることを付言しておく。   Furthermore, it should be noted that the polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel is also within the scope of the present invention.

以下実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   Hereinafter, examples will be shown, and the embodiment of the present invention will be described in more detail. Of course, the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims, and the present invention is also applied to the embodiments obtained by appropriately combining the disclosed technical means. It is included in the technical scope of the invention.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更可能である。
(実施例1)
<「芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」として用いた化合物の合成:スルホン酸基含有ポリエーテルエーテルケトン(以下、S−PEEK)の合成>
まず、メカニカルスターラーと還流管、および塩化カルシウム管を取り付けた反応容器に硫酸552.0gを入れ、次いで撹拌しながらPEEK450PF(ビクトレックス・エムシー社製ポリエーテルエーテルケトン)22.2gを加え、室温にて3日間撹拌した。反応溶液をイオン交換水中に滴下して反応生成物を沈殿させたあとろ過し、ろ液が中性になるまでイオン交換水にて洗浄した。得られた反応生成物を真空下、105℃にて8時間乾燥することにより、黄色固体26.94gを得た。得られた固体のIECは2.2meq/g、プロトン伝導度は6.0×10−2S/cmであった。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited at all by these Examples, In the range which does not change the summary, it can change suitably.
Example 1
<Synthesis of compound used as "polymer compound in which proton conductive group is introduced into polymer compound having aromatic unit": Synthesis of sulfonic acid group-containing polyether ether ketone (hereinafter, S-PEEK)>
First, 552.0 g of sulfuric acid was put in a reaction vessel equipped with a mechanical stirrer, a reflux pipe, and a calcium chloride pipe, and then 22.2 g of PEEK450PF (polyether ether ketone manufactured by Victorex MC) was added with stirring, and the mixture was brought to room temperature. And stirred for 3 days. The reaction solution was dropped into ion-exchanged water to precipitate a reaction product, followed by filtration, and washed with ion-exchanged water until the filtrate became neutral. The obtained reaction product was dried at 105 ° C. for 8 hours under vacuum to obtain 26.94 g of a yellow solid. The obtained solid had an IEC of 2.2 meq / g and a proton conductivity of 6.0 × 10 −2 S / cm.

化合物Xとして、B−5:“5,5’-[2,2,2-TrIfluoro−1−(trIfluoromethyl)ethylIdene]bIs[2−hydroxy−1,3−benzenedImethanol]”(以下、TML−BPAF−MF)を用いた。   As compound X, B-5: “5,5 ′-[2,2,2-TrIfluoro-1- (trIfluoromethyl) ethylIdene] bIs [2-hydroxy-1,3-benzeneImethanol]” (hereinafter, TML-BPAF- MF) was used.

溶媒としてN,N−ジメチルホルムアミド(3.240g)に、芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」の高分子化合物としてS−PEEK(0.300g)と、化合物XとしてTML−BPAF−MF(0.060g)と、酸触媒としてメタンスルホン酸(0.162g)とを加え均一溶液を調製した。前記溶液を内径60mmのシャーレに入れ、真空下、150℃にて5時間乾燥した。その後、下から順にSUS板/ポリテトラフルオロエチレンシート/得られた膜/ポリテトラフルオロエチレンシート/SUS板の順に積層し、この積層物を150℃に加熱した加圧板に設置した後、4.9MPa、30分間保持の条件にて熱プレスし、実施例1のキャスト膜を得た。
(実施例2)
溶媒にジメチルスルホキシドを用いたこと以外は実施例1と同様にした。
(実施例3)
溶媒にN−メチルピロリドンを用いたこと以外は実施例1と同様にした。
(実施例4)
<触媒層転写シートの製造>
触媒層は、次の手順にて作製した。最初に、燃料電池用組成物として、溶媒としてN,N−ジメチルホルムアミド(3.240g)に、芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されてなる高分子化合物」の高分子化合物としてS−PEEK(0.300g)と、化合物XとしてTML−BPAF−MF(0.060g)と、酸触媒としてメタンスルホン酸(0.162g)とを加え均一溶液を調製した。次に、純水(0.833g)に白金−ルテニウム担時カーボン触媒粉末(TEC61E54、田中貴金属工業株式会社製、0.833g)を加えた後に、N,N−ジメチルホルムアミド(8.330g)、および前述で調製した高分子電解質溶液(0.180g)を順に加え、マグネチックスターラーを用いて30分撹拌し、燃料電池用触媒層形成材料を得た。続いて、前記燃料電池用触媒層形成材料を、ギャップ(100μm)のドクターブレードを用いてチタンシート(50μm)に塗工した。最後に、送風オーブン(150℃)で1時間乾燥後、真空オーブン(150℃)で5時間乾燥することによって実施例4の触媒転写シートを製造した。
(実施例5)
溶媒にジメチルスルホキシドを用いたこと以外は実施例4と同様にした。
(実施例6)
溶媒にN−メチルピロリドンを用いたこと以外は実施例4と同様にした。
(比較例1)
溶媒にメタンスルホン酸を加えないこと以外は実施例1と同様にした。
(比較例2)
溶媒にメタンスルホン酸を加えないこと以外は実施例2と同様にした。
(比較例3)
溶媒にメタンスルホン酸を加えないこと以外は実施例3と同様にした。
(比較例4)
溶媒にメタノールを用いたこと以外は実施例4と同様にした。
S-PEEK (0.300 g) as a polymer compound of “polymer compound obtained by introducing a proton conductive group into a polymer compound having an aromatic unit in N, N-dimethylformamide (3.240 g) as a solvent” Then, TML-BPAF-MF (0.060 g) as compound X and methanesulfonic acid (0.162 g) as acid catalyst were added to prepare a homogeneous solution. The solution was placed in a petri dish having an inner diameter of 60 mm and dried under vacuum at 150 ° C. for 5 hours. Then, after laminating in the order of SUS plate / polytetrafluoroethylene sheet / obtained film / polytetrafluoroethylene sheet / SUS plate in order from the bottom, this laminate was placed on a pressure plate heated to 150 ° C. The film was hot-pressed under the condition of 9 MPa and held for 30 minutes to obtain a cast film of Example 1.
(Example 2)
Example 1 was repeated except that dimethyl sulfoxide was used as a solvent.
(Example 3)
Example 1 was repeated except that N-methylpyrrolidone was used as a solvent.
Example 4
<Manufacture of catalyst layer transfer sheet>
The catalyst layer was prepared by the following procedure. First, as a fuel cell composition, a polymer of “polymer compound obtained by introducing a proton conductive group into a polymer compound having an aromatic unit in N, N-dimethylformamide (3.240 g) as a solvent” A uniform solution was prepared by adding S-PEEK (0.300 g) as a compound, TML-BPAF-MF (0.060 g) as a compound X, and methanesulfonic acid (0.162 g) as an acid catalyst. Next, after adding platinum-ruthenium-supported carbon catalyst powder (TEC61E54, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., 0.833 g) to pure water (0.833 g), N, N-dimethylformamide (8.330 g), Then, the polymer electrolyte solution (0.180 g) prepared above was added in order, and stirred for 30 minutes using a magnetic stirrer to obtain a fuel cell catalyst layer forming material. Subsequently, the catalyst layer forming material for a fuel cell was applied to a titanium sheet (50 μm) using a doctor blade with a gap (100 μm). Finally, the catalyst transfer sheet of Example 4 was manufactured by drying for 1 hour in a blowing oven (150 ° C.) and then for 5 hours in a vacuum oven (150 ° C.).
(Example 5)
Example 4 was repeated except that dimethyl sulfoxide was used as the solvent.
(Example 6)
The same operation as in Example 4 was performed except that N-methylpyrrolidone was used as a solvent.
(Comparative Example 1)
Example 1 was repeated except that methanesulfonic acid was not added to the solvent.
(Comparative Example 2)
Example 2 was repeated except that methanesulfonic acid was not added to the solvent.
(Comparative Example 3)
Example 3 was repeated except that methanesulfonic acid was not added to the solvent.
(Comparative Example 4)
Example 4 was repeated except that methanol was used as the solvent.

表1は、実施例1、2、3、比較例1、2、および3で製造したキャスト膜をメタノール(100wt%)に浸漬し、60℃のオーブン中に100時間静置した後に、重量減少を測定した値である。この結果から、実施例で作製したキャスト膜は比較例のものと比べて重量減少が少ないこと、すなわち耐メタノール溶解性に優れることが判明した。   Table 1 shows the weight loss after the cast membranes produced in Examples 1, 2, 3 and Comparative Examples 1, 2, and 3 were immersed in methanol (100 wt%) and allowed to stand in an oven at 60 ° C. for 100 hours. Is a measured value. From this result, it was found that the cast film produced in the example had less weight loss than that of the comparative example, that is, excellent in methanol solubility resistance.

Figure 0005297092
表2は、実施例4、5、6、および比較例4の触媒層転写シートの形状を目視した結果である。この結果から、実施例で作製した触媒転写シートの触媒層は比較例のものと比べてヒビ割れが非常に少ない(特に本実施例ではヒビ割れがない)ことが判明した。
Figure 0005297092
Table 2 shows the results of visual observation of the shapes of the catalyst layer transfer sheets of Examples 4, 5, and 6 and Comparative Example 4. From this result, it was found that the catalyst layer of the catalyst transfer sheet prepared in the example had very few cracks compared to the comparative example (particularly, in this example, there was no crack).

Figure 0005297092
Figure 0005297092

本発明にかかる直接メタノール型燃料電池用膜電極接合体は、直接メタノール型燃料電池に代表される燃料電池をはじめとして、様々な産業上の利用可能性がある。
The membrane electrode assembly for direct methanol fuel cells according to the present invention has various industrial applicability including fuel cells represented by direct methanol fuel cells.

Claims (16)

少なくとも、芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されている高分子化合物、下記一般式(1)で示される基を2つ以上有する少なくとも1種類以上の化合物X、および溶媒を含む燃料電池用組成物であって、前記溶媒の沸点が100℃以上、300℃以下であること、および前記溶媒100重量部に対して、1重量部以上、10重量部以下の高分子電解質と化合物Xとの化学反応を促進する酸触媒が含まれていることを特徴とする燃料電池用触媒層形成材料用組成物。
−CHOR・・・(1)
(式中Rは水素、アルキル基、あるいはアシル基を表し、1種類の化合物に含まれるRはそれぞれ互いに同一であっても異なっても良い。)
At least a polymer compound in which a proton conductive group is introduced into a polymer compound having an aromatic unit, at least one compound X having two or more groups represented by the following general formula (1), and a solvent A fuel cell composition comprising a solvent having a boiling point of 100 ° C. or more and 300 ° C. or less, and 1 to 10 parts by weight of a polymer electrolyte with respect to 100 parts by weight of the solvent ; A composition for a fuel cell catalyst layer forming material, comprising an acid catalyst that promotes a chemical reaction with compound X.
-CH 2 OR ··· (1)
(Wherein R represents hydrogen, an alkyl group or an acyl group, one of R contained in the compound may be the same or different to, respectively therewith each other physician.)
前記溶媒がN,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、あるいはN−メチルピロリドンであることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用触媒層形成材料用組成物。 The composition for a fuel cell catalyst layer forming material according to claim 1, wherein the solvent is N, N-dimethylformamide, dimethylsulfoxide, or N-methylpyrrolidone. 前記酸触媒がメタンスルホン酸であることを特徴とする請求項1〜2のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層形成材料用組成物。 The composition for a fuel cell catalyst layer forming material according to claim 1, wherein the acid catalyst is methanesulfonic acid. 前記プロトン伝導性基がスルホン酸基であることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項に記載の燃料電池用触媒層形成材料用組成物。 The composition for a fuel cell catalyst layer forming material according to any one of claims 1 to 3, wherein the proton conductive group is a sulfonic acid group. 前記芳香族単位を有する高分子化合物にプロトン伝導性基が導入されている高分子化合物のイオン交換容量が、0.9meq/g以上、6meq/g以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層形成材料用組成物。 The ion exchange capacity of a polymer compound in which a proton conductive group is introduced into the polymer compound having an aromatic unit is 0.9 meq / g or more and 6 meq / g or less. 5. The composition for a fuel cell catalyst layer forming material according to any one of 4 above. 前記芳香族単位を有する高分子化合物が芳香族ポリエーテル系高分子であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層形成材料用組成物。 The composition for a fuel cell catalyst layer forming material according to any one of claims 1 to 4, wherein the polymer compound having an aromatic unit is an aromatic polyether polymer. 前記一般式(1)で示される基を2つ以上有する少なくとも1種類以上の化合物Xが下記構造式で表されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層形成材料用組成物。
Figure 0005297092
The fuel cell according to any one of claims 1-6 wherein at least one or more compounds X having a group represented by the general formula (1) two or more, characterized by being represented by the following structural formula Composition for catalyst layer forming material .
Figure 0005297092
請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層形成材料用組成物および燃料電池用触媒を含むことを特徴とする燃料電池用触媒層形成材料。 The catalyst layer forming material for fuel cells you comprising the catalyst for a fuel cell catalyst layer forming material composition and fuel cell according to any one of claims 1 to 7. 記(I)、(II)、(III)および/あるいは(IV)の工程を含む、請求項8に記載の燃料電池用触媒層形成材料を含む燃料電池用触媒層の製造方法。
(I)前記燃料電池用触媒層形成材料を基材上に塗布する工程、
(II)前記触媒層形成材料から溶媒を除去する工程、
(III)前記燃料電池用触媒層形成材料用組成物に含まれる、高分子電解質と、化合物Xとを化学反応させて反応生成物を得る工程、
(IV)前記触媒層から酸触媒を除去する工程。
Under Symbol (I), (II), (III) and / or comprising the step of (IV), a manufacturing method of a fuel cell catalyst layer comprising a catalyst layer-forming material for a fuel cell according to claim 8.
(I ) a step of coating the fuel cell catalyst layer forming material on a substrate;
(II) removing the solvent from the catalyst layer forming material,
(III) a step of chemically reacting the polymer electrolyte and the compound X contained in the composition for forming a fuel cell catalyst layer to obtain a reaction product;
(IV) A step of removing the acid catalyst from the catalyst layer.
前記工程(III)が、前記化学反応が進行する温度以上、300℃以下での加熱であることを特徴とする請求項9に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 The method for producing a catalyst layer for a fuel cell according to claim 9, wherein the step (III) is heating at a temperature not lower than the temperature at which the chemical reaction proceeds and not higher than 300 ° C. 前記基材が高分子のシートであることを特徴とする請求項9または10に記載の燃料電池用触媒層の製造方法The method for producing a fuel cell catalyst layer according to claim 9 or 10 , wherein the substrate is a polymer sheet. 前記基材が無機物のシートであることを特徴とする請求項9または10に記載の燃料電池用触媒層の製造方法The method for producing a fuel cell catalyst layer according to claim 9 or 10 , wherein the substrate is an inorganic sheet. 前記基材が導電性多孔質シートであることを特徴とする請求項9または10に記載の燃料電池用触媒層の製造方法The method for producing a fuel cell catalyst layer according to claim 9 or 10 , wherein the base material is a conductive porous sheet. 請求項のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層形成材料用組成物で構成された燃料電池用触媒層が、高分子電解質膜の少なくとも一方の面に配置されていることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。 The claims 1 to 7, the fuel cell catalyst layer which is composed of a fuel cell catalyst layer forming material composition according to any one of are arranged on at least one surface of the polymer electrolyte membrane A membrane electrode assembly for a fuel cell. 前記触媒層から酸触媒を除去する工程が、触媒層と水との接触であることを特徴とする請求項13のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒層の製造方法。 Wherein the step of removing the acid catalyst from the catalyst layer, the manufacturing method of the fuel cell catalyst layer according to any one of claims 9-13, characterized in that the contact between the catalyst layer and the water. 請求項14に記載の燃料電池用膜電極接合体を備える燃料電池。

A fuel cell comprising the membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 14 .

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